基于實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的版畫藝術(shù)設(shè)計(jì)方法研究

段世昌

摘 ?要： 在藝術(shù)領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)的運(yùn)用成為新的藝術(shù)創(chuàng)作手段和表現(xiàn)形式。為探討遺傳算法在藝術(shù)作品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，以便進(jìn)行智能化的計(jì)算機(jī)輔助，提出通過(guò)實(shí)數(shù)編碼遺傳算法來(lái)實(shí)現(xiàn)版畫藝術(shù)的數(shù)字化設(shè)計(jì)。首先，對(duì)版畫的藝術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程和數(shù)碼版畫制作流程進(jìn)行分析;然后，通過(guò)對(duì)版畫圖案的分析和概括，抽象出構(gòu)成版畫所需的紋樣，利用實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的交叉、變異操作生成豐富的紋樣基因庫(kù);最后，以用戶滿意度為需求確定適應(yīng)度函數(shù)并設(shè)計(jì)數(shù)碼版畫紋樣組裝方案流程。算法仿真結(jié)果驗(yàn)證了提出方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞： 版畫藝術(shù); 實(shí)數(shù)編碼; 遺傳算法; 數(shù)碼版畫; 用戶滿意度; 紋樣

中圖分類號(hào)： TN911.73?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）13?0073?03

Research on engraving artwork design method based on

real number coding genetic algorithm

DUAN Shichang

（Anyang University， Anyang 455000， China）

Abstract： The application of computer graphics processing technology in art field becomes the new artistic creation means and expression pattern. In order to explore the application of genetic algorithm in the field of artwork design， and carry out the intelligent computer?aided operation， the digital design of engraving artworks is realized by means of real number coded genetic algorithm. The artistic design process of the engraving and the digital engraving production process are analyzed. The dermatoglyphic pattern needed by engraving composition is abstracted by means of analysis and summarization of the engraving pattern， and the crossover and mutation operations of the real number coding genetic algorithm are used to generate the gene pool with rich dermatoglyphic patterns. The fitness function is determined according to user satisfaction. The process of digital engraving pattern assembly scheme is designed. The feasibility and effectiveness of the proposed method are verified with algorithm simulation results.

Keywords： engraving artwork; real number coding; genetic algorithm; digital engraving; user satisfaction; dermatoglyphic pattern

0 ?引 ?言

傳統(tǒng)版畫藝術(shù)最早是以木刻版畫的形式在世界范圍廣泛流傳，也是我國(guó)國(guó)粹的精華。我國(guó)版畫最早用于佛教領(lǐng)域，后隨著多民族文化交流逐漸發(fā)展出各式各樣的版畫印刷術(shù)。19世紀(jì)70年代，版畫藝術(shù)慢慢的發(fā)展出新形態(tài)的藝術(shù)形勢(shì)——現(xiàn)代版畫。

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速發(fā)展，在藝術(shù)領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)的運(yùn)用，成為新的藝術(shù)創(chuàng)作手段和表現(xiàn)形式。通過(guò)將機(jī)器智能應(yīng)用在藝術(shù)設(shè)計(jì)工作中，可以使得計(jì)算機(jī)與美術(shù)完美結(jié)合，設(shè)計(jì)出更加符合形象思維和邏輯思維的創(chuàng)新作品[1?3]。隨著人工智能技術(shù)概念的廣泛傳播，各種智能計(jì)算方法層出不窮，其中，起源于20世紀(jì)50年代的演化算法是目前較為熱門的機(jī)器學(xué)習(xí)算法[4]。演化算法是一類模擬自然界遺傳進(jìn)化規(guī)律的仿生學(xué)算法，遺傳算法是其中的一個(gè)分支。隨著演化算法的不斷發(fā)展，通過(guò)遺傳算法進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種重要的輔助設(shè)計(jì)手段，同時(shí)也成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法構(gòu)建產(chǎn)品造型細(xì)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)原始設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)一種兼顧Pareto前沿平滑性和均勻性的遺傳算法初始解構(gòu)造方法，有效解決了復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算密集問(wèn)題，提升了產(chǎn)品的質(zhì)量。

通過(guò)上述研究可以看出，遺傳算法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)輔助方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。因此，本文采用遺傳算法來(lái)解決數(shù)字版畫設(shè)計(jì)過(guò)程中的紋樣變形（變異操作）和組合（交叉操作）等問(wèn)題。不同于文獻(xiàn)[5?6]采用的標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法，本文利用實(shí)數(shù)編碼遺傳算法來(lái)描述版畫紋樣的輪廓曲線。此外，通過(guò)賦予不同權(quán)值的用戶滿意度評(píng)分來(lái)獲取迭代進(jìn)化的適應(yīng)度值，其中用戶分為普通用戶和專業(yè)用戶。實(shí)例應(yīng)用結(jié)果證明了提出方法的適用性和創(chuàng)新性。

1 ?版畫的藝術(shù)形式

1.1 ?版畫的藝術(shù)設(shè)計(jì)介紹

早期版畫作為一門藝術(shù)具有比較強(qiáng)烈的民族文化或者宗教文化特色，如圖1所示的《金剛般若波羅密經(jīng)》，主要利用石、木、金屬和絲網(wǎng)版材參與制版，包括凸版版畫、凹版版畫。不同于傳統(tǒng)版畫，數(shù)碼版畫的制作借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)。

圖1 ?《金剛般若波羅密經(jīng)》卷首圖

1.2 ?數(shù)碼版畫制作流程

首先對(duì)版畫的藝術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析，如圖2所示。版畫的藝術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程是通過(guò)夸張和變形的手法，將不規(guī)則的紋樣合理搭配，建立豐富形象的過(guò)程。

圖2 ?版畫的藝術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程

由上述版畫的藝術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程介紹可以看出，數(shù)碼版畫制作需要將多種實(shí)物掃描成圖像素材，并在電腦里進(jìn)行制作，其流程如圖3所示（以木刻版畫為例）。整個(gè)過(guò)程可以分為三個(gè)部分：采集過(guò)程、制作過(guò)程和輸出過(guò)程。

圖3 ?計(jì)算機(jī)輔助的數(shù)碼版畫制作流程

2 ?基于遺傳算法的數(shù)碼版畫設(shè)計(jì)方法

遺傳算法是一種基于達(dá)爾文進(jìn)化論的演化算法，它模擬了自然選擇、物競(jìng)天擇和適者生存的現(xiàn)象，通過(guò)[N]代的遺傳、變異、交叉、復(fù)制，進(jìn)化出問(wèn)題的最優(yōu)解[7]。為了打破慣性思維，通過(guò)對(duì)版畫圖案的分析和概括，抽象出構(gòu)成版畫所需的紋樣，利用實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的交叉、變異操作生成豐富的紋樣基因庫(kù)。

2.1 ?基于實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的紋樣生成

在圖像素材采集后，抽象出構(gòu)成版畫所需的紋樣并通過(guò)二維平面產(chǎn)生紋樣的輪廓曲線，并令[Ocur=（ρi，γi，θi）， ?i=0，1，2，…，n]表示該輪廓曲線。本文采用實(shí)數(shù)編碼方式來(lái)表示該曲線[8]：

此外，為了滿足消費(fèi)者的心理需求，以用戶滿意度為需求確定適應(yīng)度函數(shù)并設(shè)計(jì)數(shù)碼版畫紋樣組裝方案流程。

2） 變異算子。設(shè)變異概率為[Pm]，當(dāng)?shù)^(guò)程中隨時(shí)數(shù)[r∈[-1，1]]小于[Pm]時(shí)，在上、下半部?jī)蓷l曲線上分別抽取[m（0

2.2 ?基于用戶滿意度的適應(yīng)度函數(shù)確定

將用戶分為普通用戶[a]和專業(yè)用戶[b]，并分別對(duì)其設(shè)置不同的權(quán)值0.4和0.6，那么紋樣的造型特征得分為：

圖4 ?基于實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的數(shù)碼版畫紋樣組裝方案流程

3 ?仿真驗(yàn)證結(jié)果

3.1 ?實(shí)驗(yàn)配置參數(shù)

本文以“自然風(fēng)景木刻版畫設(shè)計(jì)”為實(shí)際案例進(jìn)行具體仿真測(cè)試以便驗(yàn)證提出算法的可行性。實(shí)驗(yàn)PC主機(jī)的硬件配置為：Intel酷睿I5?8500四核CPU，主頻為3.0 GHz;4 GB內(nèi)存;NVIDIA GTX 970顯卡（4 GB顯存）;300 GB硬盤。

遺傳算法的參數(shù)設(shè)置如下：群體大小為100，終止進(jìn)化代數(shù)為150，交叉概率為0.4，變異概率[11]為0.002。

3.2 ?版畫設(shè)計(jì)結(jié)果

運(yùn)用基于實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的數(shù)碼版畫紋樣組裝方法得到了用戶滿意度最高的版畫設(shè)計(jì)結(jié)果，如圖5所示。

從圖5可以看出，提出的方法不僅能豐富設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思路，而且能使設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化。此外，版畫設(shè)計(jì)的平均用戶滿意度能夠達(dá)到90%左右，較好地符合了大眾審美需求。

圖5 ?版畫設(shè)計(jì)示例

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文提出一種基于實(shí)數(shù)編碼遺傳算法的版畫紋樣自動(dòng)輔助設(shè)計(jì)方法。該方法采用實(shí)數(shù)編碼方式表示版畫紋樣曲線。主要通過(guò)變異操作實(shí)現(xiàn)紋樣的形變，從而產(chǎn)生大量新的樣本源;通過(guò)交叉操作實(shí)現(xiàn)紋樣的組裝，利用變異概率擴(kuò)大樣本組合的空間。版畫設(shè)計(jì)實(shí)例結(jié)果驗(yàn)證了該算法的可行性。但是實(shí)際設(shè)計(jì)場(chǎng)景中遺傳算法的參數(shù)設(shè)置對(duì)性能影響較大，且容易出現(xiàn)局部最優(yōu)現(xiàn)象，因此，后續(xù)將對(duì)如何解決這兩個(gè)問(wèn)題開(kāi)展進(jìn)一步研究。

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